JP2022129670A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧の変化に伴うレベルシフト回路のレベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができる圧電発振器を提供する。【解決手段】圧電振動子を有する発振回路と、レベルシフト用インバータを有するレベルシフト回路とが、カップリング容量を介して結合された圧電発振器は、前記レベルシフト回路の出力信号を反転させた信号を生成し、前記レベルシフト回路の入力部に戻す電圧偏差緩和回路を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器に関する。

従来から、水晶振動子と発振部増幅用インバータと帰還抵抗とを有する発振部と、第２増幅回路用インバータと帰還抵抗とを有する第２増幅回路とが、結合コンデンサを介して結合されている水晶発振器が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載された水晶発振器は、換言すれば、圧電振動子（水晶振動子）の発振用アンプを定電圧回路で安定化させた発振回路（発振部）と、結合コンデンサとレベルシフト用インバータ（第２増幅回路用インバータ）と帰還抵抗とによるレベルシフト回路とから構成されている。

ところで、電源電圧には偏差が発生する可能性がある。また、レベルシフト回路のレベルシフト用インバータの入出力間には、ミラー容量が存在する。そのため、特許文献１に記載されているような圧電発振器では、電源電圧を変化させたり、電源電圧が変動したりすると、出力の振幅が変化するためミラー容量も変化し、周波数電圧偏差が悪化してしまうおそれがある。すなわち、特許文献１に記載されているような圧電発振器では、電源電圧を増加させるとミラー容量が大きくなり、発振周波数が低下するおそれがある。

特開平１－３００６０５号公報

上述した問題点に鑑み、本発明は、電源電圧の変化に伴うレベルシフト回路のレベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができる圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意研究において、レベルシフト回路の出力信号を反転させた信号を生成してレベルシフト回路の入力部に戻すことによって、電源電圧の変化に伴うレベルシフト回路のレベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の変化の影響を緩和できることを見い出した。

本発明の一態様は、圧電振動子を有する発振回路と、レベルシフト用インバータを有するレベルシフト回路とが、カップリング容量を介して結合された圧電発振器であって、
前記レベルシフト回路の出力信号を反転させた信号を生成し、前記レベルシフト回路の入力部に戻す電圧偏差緩和回路を備える圧電発振器である。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記電圧偏差緩和回路は、電圧偏差緩和用インバータとフィードバック容量とを備え、前記フィードバック容量の値は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量に相当する値であってもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記フィードバック容量の値は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の値と等しくてもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記フィードバック容量の値は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の値より小さくてもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記電圧偏差緩和用インバータの入力部は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの出力部に接続され、前記電圧偏差緩和用インバータの出力部は、前記フィードバック容量の一方の端部に接続され、前記フィードバック容量の他方の端部は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入力部に接続されていてもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記電圧偏差緩和回路は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の電源電圧による変動を補償してもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記フィードバック容量は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量と同等で逆位相であってもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記レベルシフト回路は、前記レベルシフト用インバータと、レベルシフト用帰還抵抗とを有し、前記レベルシフト用インバータの入力部は、前記カップリング容量の一方の端部に接続されていてもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記発振回路は、前記圧電振動子と、発振用インバータと、発振用帰還抵抗と、前記発振用インバータを駆動する定電圧回路と、第１容量と、第２容量とを有し、前記圧電振動子の一方の端部は、前記第１容量を介して接地され、前記圧電振動子の他方の端部は、前記第２容量を介して接地され、前記発振用インバータの入力部は、前記圧電振動子の一方の端部に接続され、前記発振用インバータの出力部は、前記圧電振動子の他方の端部と前記カップリング容量の他方の端部とに接続されていてもよい。

本発明の一態様の圧電発振器では、前記発振回路が、クラップ発振回路であってもよい。

本発明によれば、電源電圧の変化に伴うレベルシフト回路のレベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができる圧電発振器を提供することができる。

第１実施形態の圧電発振器の一例を示す回路図である。 図１に示す圧電振動子の等価回路図である。 特許文献１の図１に記載された水晶発振器に相当する圧電発振器の回路図である。

本発明の圧電発振器の実施形態を説明する前に、特許文献１の図１に記載された水晶発振器に相当する圧電発振器について説明する。
図３は特許文献１の図１に記載された水晶発振器に相当する圧電発振器の回路図である。
図３に示すように、特許文献１の図１に記載された水晶発振器に相当する圧電発振器には、圧電振動子Ｐと、発振用インバータＸＡと、発振用帰還抵抗ＲＡと、容量ＣＡ、ＣＢと、定電圧回路ＲＧが含まれる。また、特許文献１の図１に記載された水晶発振器に相当する圧電発振器には、カップリング容量ＣＣと、レベルシフト用インバータＸＢと、レベルシフト用帰還回路ＲＢとが含まれる。
図３に示す圧電発振器のコルピッツ発振周波数ｆは、下記の（１）式によって表される。（１）式において、Ｌ１は圧電振動子Ｐの等価回路図（図２参照）における直列インダクタンスを表しており、Ｃ０は圧電振動子Ｐの等価回路図における並列容量を表しており、Ｃ１は圧電振動子Ｐの等価回路図における直列容量を表している。

（１）式中の容量Ｃ_Ｌは、下記の（２）式によって表される。（２）式において、Ｃｍはレベルシフト用インバータＸＢの入出力間に存在するミラー容量を表しており、ＶＤＤは電源電圧を表しており、Ｖ_ＯＳＣは図３に「Ｖ_ＯＳＣ」で示す電圧（電位）を表している。

（１）式および（２）式では、説明のため、カップリング容量ＣＣは他の容量（ＣＡ、ＣＢ、Ｃｍ）に対し充分に大きく、影響は無視できると仮定する。
（１）式および（２）式で示すように、容量Ｃ_Ｌは、電源電圧ＶＤＤに依存してミラー容量Ｃｍの影響により大きくなる。容量Ｃ_Ｌが大きくなると、コルピッツ発振周波数ｆは低下する。

このように、特許文献１に記載されているような圧電発振器（図３に示す圧電発振器）では、電源電圧ＶＤＤを増加させるとミラー容量Ｃｍが大きくなり、コルピッツ発振周波数ｆが低下するおそれがある。
そこで、第１実施形態の圧電発振器１では、後述するような対策が施されている。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の圧電発振器１の一例を示す回路図である。図２は図１に示す圧電振動子１１１の等価回路図である。
図１および図２に示す例では、圧電発振器１が、発振回路１１と、カップリング容量ＣＣと、レベルシフト回路１２と、電圧偏差緩和回路１３とを備えている。カップリング容量ＣＣは、発振回路１１とレベルシフト回路１２とを結合する。
発振回路１１は、圧電振動子１１１と、発振用インバータＸ１と、発振用帰還抵抗Ｒ１１と、定電圧回路１１２と、容量ＣＡ、ＣＢとを備えている。

図１および図２に示す例では、圧電振動子１１１が、水晶振動子である。図２に等価回路図で示すように、圧電振動子１１１は、並列容量Ｃ０と、直列容量Ｃ１と、直列抵抗Ｒ１と、直列インダクタンスＬ１とによって等価的に表される。
発振用インバータＸ１は、圧電振動子１１１の出力信号を増幅する。発振用インバータＸ１は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）インバータである。定電圧回路１１２は、発振用インバータＸ１を駆動する。
圧電振動子１１１の一方の端部（図１の左側の端部）は、容量ＣＡを介して接地されている。圧電振動子１１１の他方の端部（図１の右側の端部）は、容量ＣＢを介して接地されている。
発振用インバータＸ１の入力部は、圧電振動子１１１の一方の端部（図１の左側の端部）に接続されている。発振用インバータＸ１の出力部は、圧電振動子１１１の他方の端部（図１の右側の端部）と、カップリング容量ＣＣの一方の端部（図１の左側の端部）とに接続されている。

レベルシフト回路１２は、レベルシフト用インバータＸ２と、レベルシフト用帰還抵抗Ｒ２とを備えている。レベルシフト用インバータＸ２の入力部は、カップリング容量ＣＣの他方の端部（図１の右側の端部）に接続されている。図１に破線で示すように、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間には、ミラー容量Ｃｍが存在する。

電圧偏差緩和回路１３は、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの電源電圧による変動を補償する。電圧偏差緩和回路１３は、電圧偏差緩和用インバータＸ３と、フィードバック容量Ｃｆとを備えている。
電圧偏差緩和用インバータＸ３の入力部は、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の出力部に接続されている。電圧偏差緩和用インバータＸ３の出力部は、フィードバック容量Ｃｆの一方の端部（図１の右側の端部）に接続されている。フィードバック容量Ｃｆの他方の端部（図１の左側の端部）は、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入力部に接続されている。
電圧偏差緩和回路１３は、レベルシフト回路１２の出力信号を反転させた信号を生成し、レベルシフト回路１２の入力部に戻す。

図１に示す圧電発振器１のコルピッツ発振周波数ｆは、上述した（１）式によって表される。
図１および図２に示す例では、（１）式中の容量Ｃ_Ｌは、下記の（３）式によって表される。

フィードバック容量Ｃｆの値は、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍに相当する値である。つまり、フィードバック容量Ｃｆは、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍと同等であって、逆位相である。その結果、電圧偏差緩和回路１３によって、圧電発振器１のコルピッツ発振周波数ｆの電源電圧依存性を改善することができる。

第１実施形態の圧電発振器１では、フィードバック容量Ｃｆの値が、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値と等しい（Ｃｍ＝Ｃｆ）。そのため、上述した（３）式は、下記の（４）式によって表される。

（３）式および（４）式で示すように、フィードバック容量Ｃｆの値が、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値と等しい場合（Ｃｍ＝Ｃｆ）、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間に存在するミラー容量Ｃｍが、フィードバック容量Ｃｆによってキャンセルされる。その結果、電源電圧の変化に伴うレベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの変化の影響を緩和することができ、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができる。
つまり、フィードバック容量Ｃｆの値が、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値と等しい場合（Ｃｍ＝Ｃｆ）、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの電源電圧ＶＤＤ起因の影響が無くなるため、圧電発振器１のコルピッツ発振周波数ｆの電源電圧依存性が良化する。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の圧電発振器の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の圧電発振器１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の圧電発振器１と同様に構成されている。従って、第２実施形態の圧電発振器１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の圧電発振器１と同様の効果を奏することができる。

上述したように、第１実施形態の圧電発振器１では、フィードバック容量Ｃｆの値が、レベルシフト回路１２のレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値と等しい（Ｃｍ＝Ｃｆ）。
本発明者等は、鋭意研究において、フィードバック容量Ｃｆの値と、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値とが完全に一致しなくても、フィードバック容量Ｃｆの値と、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値とが略等しく、かつ、フィードバック容量Ｃｆの値が、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値より小さい場合には、フィードバック容量Ｃｆの値と、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値とが完全に一致する場合のように、電源電圧の変化に伴うレベルレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができることを見い出した。
そこで、第２実施形態の圧電発振器１では、フィードバック容量Ｃｆの値が、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍに相当する値であり、かつ、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの値より小さい。
そのため、第２実施形態の圧電発振器１では、第１実施形態の圧電発振器１のように、電源電圧の変化に伴うレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができる。

＜第３実施形態＞
以下、本発明の圧電発振器の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の圧電発振器１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の圧電発振器１と同様に構成されている。従って、第３実施形態の圧電発振器１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の圧電発振器１と同様の効果を奏することができる。

第１実施形態の圧電発振器１では、図１に示すように、発振回路１１が、コルピッツ発振回路である。
一方、第３の実施形態の圧電発振器１では、発振回路１１が、クラップ発振回路（図示せず）である。
本発明者等は、鋭意研究において、発振回路１１がクラップ発振回路である場合においても、フィードバック容量Ｃｆの値を、レベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍに相当する値に設定することによって、電源電圧の変化に伴うレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができることを見い出した。
そのため、第３実施形態の圧電発振器１では、第１実施形態の圧電発振器１と同様に、電源電圧の変化に伴うレベルシフト用インバータＸ２の入出力間のミラー容量Ｃｍの変化の影響を緩和し、電源電圧の変化に伴う発振周波数偏差を緩和することができる。

＜第４実施形態＞
以下、本発明の圧電発振器の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の圧電発振器１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の圧電発振器１と同様に構成されている。従って、第４実施形態の圧電発振器１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の圧電発振器１と同様の効果を奏することができる。

上述した第１実施形態の圧電発振器１では、圧電振動子１１１が水晶振動子である。一方、第４実施形態の圧電発振器１では、圧電振動子１１１が、水晶振動子以外の圧電振動子（例えば表面弾性波振動子など）である。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。上述した各実施形態および各例に記載の構成を組み合わせてもよい。

１…圧電発振器
１１…発振回路
１１１…圧電振動子
Ｃ０…並列容量
Ｃ１…直列容量
Ｒ１…直列抵抗
Ｌ１…直列インダクタンス
Ｘ１…発振用インバータ
Ｒ１１…発振用帰還抵抗
１１２…定電圧回路
ＣＡ…容量
ＣＢ…容量
ＣＣ…カップリング容量
１２…レベルシフト回路
Ｘ２…レベルシフト用インバータ
Ｃｍ…ミラー容量
Ｒ２…レベルシフト用帰還抵抗
１３…電圧偏差緩和回路
Ｘ３…電圧偏差緩和用インバータ
Ｃｆ…フィードバック容量

Claims (10)

1. 圧電振動子を有する発振回路と、レベルシフト用インバータを有するレベルシフト回路とが、カップリング容量を介して結合された圧電発振器であって、
   前記レベルシフト回路の出力信号を反転させた信号を生成し、前記レベルシフト回路の入力部に戻す電圧偏差緩和回路を備える
   圧電発振器。
2. 前記電圧偏差緩和回路は、電圧偏差緩和用インバータとフィードバック容量とを備え、
   前記フィードバック容量の値は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量に相当する値である、
   請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記フィードバック容量の値は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の値と等しい、
   請求項２に記載の圧電発振器。
4. 前記フィードバック容量の値は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の値より小さい、
   請求項２に記載の圧電発振器。
5. 前記電圧偏差緩和用インバータの入力部は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの出力部に接続され、
   前記電圧偏差緩和用インバータの出力部は、前記フィードバック容量の一方の端部に接続され、
   前記フィードバック容量の他方の端部は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入力部に接続されている、
   請求項２に記載の圧電発振器。
6. 前記電圧偏差緩和回路は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量の電源電圧による変動を補償する、
   請求項１に記載の圧電発振器。
7. 前記フィードバック容量は、前記レベルシフト回路の前記レベルシフト用インバータの入出力間のミラー容量と同等で逆位相である、
   請求項２に記載の圧電発振器。
8. 前記レベルシフト回路は、前記レベルシフト用インバータと、レベルシフト用帰還抵抗とを有し、
   前記レベルシフト用インバータの入力部は、前記カップリング容量の一方の端部に接続されている、
   請求項２に記載の圧電発振器。
9. 前記発振回路は、前記圧電振動子と、発振用インバータと、発振用帰還抵抗と、前記発振用インバータを駆動する定電圧回路と、第１容量と、第２容量とを有し、
   前記圧電振動子の一方の端部は、前記第１容量を介して接地され、
   前記圧電振動子の他方の端部は、前記第２容量を介して接地され、
   前記発振用インバータの入力部は、前記圧電振動子の一方の端部に接続され、
   前記発振用インバータの出力部は、前記圧電振動子の他方の端部と前記カップリング容量の他方の端部とに接続されている、
   請求項８に記載の圧電発振器。
10. 前記発振回路が、クラップ発振回路である、
    請求項１に記載の圧電発振器。

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